化工原理教學(xué)中數(shù)學(xué)建模能力的培養(yǎng)

宋梁成 朱崇強 楊春暉

摘 ???要：數(shù)學(xué)模型法是一種重要的科研方法與解決實際問題的途徑，在化工原理課程的教學(xué)中多有涉及。鑒于此，應(yīng)將數(shù)學(xué)建模能力的培養(yǎng)確定為該課程教學(xué)目標(biāo)點之一，在教學(xué)中系統(tǒng)地融入數(shù)學(xué)建模過程，以課程的教學(xué)內(nèi)容為載體講解數(shù)學(xué)建模方法與要點，以具體的實際案例訓(xùn)練學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的研究方法，培養(yǎng)并提高洞察力和想象力，從而激發(fā)出創(chuàng)造力，助力化工行業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化工原理；數(shù)學(xué)建模；能力培養(yǎng)；案例教學(xué)

中圖分類號：G642 ???文獻標(biāo)識碼：A ???文章編號：1002-4107（2024）06-0046-03

一、背景

（一）數(shù)學(xué)建模的意義

數(shù)學(xué)建模是在充分認(rèn)知復(fù)雜過程的基礎(chǔ)上進行合理簡化后建立數(shù)學(xué)模型解決問題的研究方法，在推動科學(xué)技術(shù)發(fā)展的過程中起到了重要作用。2 000多年以前，歐幾里德創(chuàng)立的幾何原理與17世紀(jì)牛頓發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律都是科學(xué)發(fā)展史上典型的數(shù)學(xué)建模范例[1]。馬克思說過，一種科學(xué)只有在成功地運用數(shù)學(xué)時，才算達到了真正完善的地步[2]。數(shù)學(xué)是各學(xué)科可以共同使用的一種科學(xué)語言，時代發(fā)展和科技進步的大潮推動數(shù)學(xué)科學(xué)迅速進入各個領(lǐng)域。以數(shù)學(xué)方法和計算機技術(shù)為核心的工藝研究與裝備制造已經(jīng)成為化學(xué)工業(yè)的主要手段[3]。化工生產(chǎn)過程中的優(yōu)化過程也是通過數(shù)學(xué)建模進行實現(xiàn)的，比如原料配比、產(chǎn)品生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品設(shè)計、優(yōu)化過程以及化工產(chǎn)業(yè)應(yīng)急管理評價等[4]。

（二）培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力的意義

數(shù)學(xué)建模是數(shù)學(xué)和實際問題的橋梁，這個橋梁的構(gòu)建需要多方面的能力。面對一個實際的過程或現(xiàn)象，經(jīng)過仔細分析后，能夠迅速抓住問題的關(guān)鍵點和主要因素，這需要的是洞察力與分析歸納能力。在掌握表觀現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，能夠抽象地構(gòu)建出相應(yīng)的模型來描述這個過程，這需要的是想象力。數(shù)學(xué)建模能力的培養(yǎng)有助于學(xué)生對知識的本質(zhì)實現(xiàn)高階認(rèn)知，提高建模能力是培養(yǎng)學(xué)生運用數(shù)學(xué)知識分析解決實際問題的一種有效手段。

（三）化工原理課程培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力的必要性

課程教育的目的是在傳授知識的基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的能力。化工原理課程的教學(xué)目的，不僅僅在于向?qū)W生傳授化工理論與單元操作的基本知識，更重要的是讓學(xué)生掌握科研方法與培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力[5]。而數(shù)學(xué)建模研究方法是化工原理課程最為常用的兩種研究方法之一。因此，在化工原理的教學(xué)過程中應(yīng)結(jié)合課程內(nèi)容融入數(shù)學(xué)建模教學(xué)。本文以兩個數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用案例在教學(xué)過程中進行數(shù)學(xué)建模方法及經(jīng)驗的介紹，以生產(chǎn)生活中的實際案例培養(yǎng)并訓(xùn)練學(xué)生通過數(shù)學(xué)模型法解決實際問題的能力，將數(shù)學(xué)建模教學(xué)滲透于化工原理教學(xué)的全過程，引導(dǎo)學(xué)生掌握科研方法，提高學(xué)生的科研能力，助力化工行業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[3]。

二、數(shù)學(xué)建模

（一）基本方法

數(shù)學(xué)模型一般是實際事物的一種數(shù)學(xué)簡化。數(shù)學(xué)建模就是根據(jù)實際問題建立數(shù)學(xué)模型并在求解之后依據(jù)結(jié)果去解決實際問題的過程。建模方法包括機理分析法和測試分析法，機理分析法是根據(jù)對客觀事物特性的認(rèn)知找出反映內(nèi)部機理的數(shù)量規(guī)律，建立有明確物理或現(xiàn)實意義的模型，可以看作是一個“白箱”模型。測試分析法是將研究對象看作一個“黑箱”模型，是通過對輸入輸出數(shù)據(jù)的測量與系統(tǒng)分析，按照一定的準(zhǔn)則找出數(shù)據(jù)擬合最好的模型。數(shù)學(xué)建模的成敗關(guān)鍵在于能否對真實的過程進行合理的簡化，得到一個可以用數(shù)學(xué)方程來描述的物理模型。要做到這一點，就需要對過程的變化規(guī)律足夠了解，并能夠抓住該過程的主要因素，進行大膽且合理的簡化，而不是將原型原封不動地復(fù)制過來。模型只要求反映與某種研究目的相關(guān)的那個方面的特征，使得模型在研究的某一方面與實際過程保持等效。

（二）主要步驟

數(shù)學(xué)建模過程的主要步驟如下。

1.對真實的復(fù)雜過程進行系統(tǒng)的分析。充分認(rèn)知并掌握其復(fù)雜特性，在此基礎(chǔ)上分析得出將要簡化的方向。

2.對真實過程的復(fù)雜因素進行合理的簡化。確定并建立能夠用數(shù)學(xué)方程來描述的該過程的物理模型，該模型能夠真實反映各主要因素之間的定量關(guān)系。

3.對簡化的物理模型進行數(shù)學(xué)描述，即進行數(shù)學(xué)建模。數(shù)學(xué)模型不能全面完整地描述實際過程，但能反映實際過程中主要因素間的相互關(guān)系。

4.確定模型參數(shù)。數(shù)學(xué)中的模型參數(shù)往往具有一定的物理意義，但這個參數(shù)卻很難得出，模型參數(shù)是數(shù)據(jù)擬合過程的待定參數(shù)，可通過實驗確定；或?qū)⒛Ｐ蛥?shù)與過程中的物理量進行關(guān)聯(lián)，通過測定實驗物理量而確定模型參數(shù)。

5.模型求解與校驗。數(shù)學(xué)模型求解的結(jié)果要回帶相關(guān)的過程案例，確定是否能夠在一定程度不失真的條件下解決實際問題。

三、課程內(nèi)容中的數(shù)學(xué)模型研究案例介紹

本文以案例教學(xué)的形式介紹如何結(jié)合化工原理課程教學(xué)內(nèi)容滲透講解數(shù)學(xué)建模研究方法。以流體通過顆粒床層的阻力計算案例向?qū)W生講述數(shù)學(xué)建模過程需要深入的洞察力與分析能力；以相際對流傳質(zhì)機理的研究歷程案例向?qū)W生展示研究者是如何發(fā)揮想象力構(gòu)建不同的模型并逐步完善推進該領(lǐng)域的研究進展。

（一）流體通過顆粒床層阻力的計算

過濾操作過程中流體流過床層的壓降是實際工程中一個十分重要的物理量，但流體流經(jīng)如此復(fù)雜通道時的壓降卻是無法依照實際流動狀態(tài)進行計算的，可以通過數(shù)學(xué)模型法來進行簡化求解。首先分析該問題，流體流經(jīng)床層的壓降主要來源于兩部分：一部分是流體與顆粒表面間的摩擦所產(chǎn)生的壓降；另一部分則是流動過程中孔道截面突然擴大或縮小等產(chǎn)生的形體阻力壓降。觀察過濾操作的實際過程可以發(fā)現(xiàn)流體流經(jīng)床層孔道的橫截面積較小且流速較慢，是處于雷諾數(shù)極低的狀態(tài)下流動，此條件下摩擦阻力壓降起主導(dǎo)作用而形體阻力壓降可以忽略。抓住問題的關(guān)鍵因素后，可以將流體流經(jīng)床層的壓降簡化為摩擦阻力壓降進行求解。把流體流過復(fù)雜孔道流動狀態(tài)中壓降的求算簡化成流體流經(jīng)直管時摩擦阻力的計算，這樣就建立了可以以直管摩擦阻力公式進行數(shù)學(xué)求解的物理模型。所建立的模型雖是實際過程的簡化，但在摩擦阻力計算方面要與真實過程等效，所以要根據(jù)實際過程來確定簡化模型的參數(shù)。摩擦阻力主要受流體與床層之間的接觸面積及其流動狀態(tài)兩個參數(shù)影響，簡化后的模型要保證這兩個參數(shù)與實際過程一致，即簡化后的直管束的流通截面積要與實際床層的平均自由截面積相等，且潤濕周邊長也與床層自由截面的平均潤濕周邊長相等。進一步分別將流通截面積與潤濕周邊長對床層高度進行積分，也就得到了簡化后的管束模型的床層空隙率以及比表面積要與實際床層相等，據(jù)此可以求出簡化后模型的床層當(dāng)量直徑，見公式（1）[6]。其中ε為床層的孔隙率； ??為床層的比表面積。

獲得顆粒床層的當(dāng)量直徑后，依照直管摩擦阻力公式計算出流體流經(jīng)床層的壓降，將流體在床層內(nèi)實際流速換算成空床時的表觀流速即可得到公式（2）[5]，

該公式即為流體通過顆粒床層的壓降的數(shù)學(xué)模型。這樣在講解流體通過床層的壓降知識點時，將數(shù)學(xué)建模的全過程展現(xiàn)給學(xué)生，重點講解數(shù)學(xué)建模的方法與要點。該數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建是在觀察并掌握流體通過床層的流動特征基礎(chǔ)上，對流體流動阻力的特征進行分析后忽略掉在極低雷諾數(shù)下的形體阻力而簡化建立的，由此不難看出數(shù)學(xué)模型的建立需要敏銳的洞察力。

（二）相際對流傳質(zhì)機理的研究過程

化工單元操作當(dāng)中的吸收、蒸餾與萃取等都是氣液兩相間的對流傳質(zhì)過程，即相際對流傳質(zhì)過程。相際對流傳質(zhì)過程的傳質(zhì)機理非常復(fù)雜，也一直是化工領(lǐng)域的研究難題。相際傳質(zhì)過程可以分為三個步驟：某組分從一相主體擴散到相界面，在界面中轉(zhuǎn)入另一相，由相界面擴散到另一相的主體。依據(jù)相際傳質(zhì)過程步驟，1923年Whiteman提出了雙膜模型，即停滯膜模型[7]。該模型的要點在于分析相際對流傳質(zhì)過程阻力分布特征之后，將整個過程的傳質(zhì)阻力簡化于相界面兩側(cè)的停滯膜內(nèi)。該模型認(rèn)為在停滯膜以外的湍流主體中濃度處于均勻狀態(tài)無傳質(zhì)阻力；同時相界面處于平衡狀態(tài)也無傳質(zhì)阻力。而停滯膜內(nèi)其傳質(zhì)的機理為分子擴散，這樣就能夠以停滯膜內(nèi)的定態(tài)分子擴散過程來定量描述相際對流傳質(zhì)過程，其模型參數(shù)為相界面兩側(cè)的氣膜厚度與液膜厚度。該模型的要點在于傳質(zhì)過程要有固定的相界面，所以其適用范圍略窄，僅適用于流速不高的兩流體之間的傳質(zhì)過程。當(dāng)兩流體流速較高無法形成穩(wěn)定相界面與停滯膜時，該模型與實際過程偏離較遠。

由于雙膜模型不能很好地解釋高速流動流體的相機傳質(zhì)過程。1935年，Higbie又依據(jù)液相相界面的結(jié)構(gòu)特征提出了溶質(zhì)滲透模型，該模型認(rèn)為液面是由無數(shù)微小的定期更新的流體微元構(gòu)成[8]。氣液兩相接觸前液相界面處的濃度與主體一致，當(dāng)氣液兩相接觸時液相界面瞬間達到與氣相平衡態(tài)的濃度，而后液滴在相界面的停留時間內(nèi)，溶質(zhì)以不定態(tài)的方式向流體微元中滲透。停留時間結(jié)束后表面得到更新，重新開始溶質(zhì)滲透過程。如此構(gòu)建物理模型后，就能夠以停滯時間為周期內(nèi)的不穩(wěn)態(tài)擴散過程來定量描述相際對流傳質(zhì)過程。其模型參數(shù)為流體微元在相界面內(nèi)的停留時間。與雙膜模型相比，溶質(zhì)滲透模型更能準(zhǔn)確地描述對流傳質(zhì)過程，但模型參數(shù)停留時間很難確定。

溶質(zhì)滲透模型不只是模型參數(shù)難確定，而且模型計算結(jié)果與實際情況的吻合程度也不夠好，因為各流體微元在相界面內(nèi)的停留時間未必是均等的。因此，在1951年，Danckwerts引入數(shù)學(xué)中的概率論將溶質(zhì)滲透模型進一步修正為表面更新模型[9]。該模型認(rèn)為無論相界面上的液體微元暴露時間長短其被置換的幾率是均等的，因此引入了相應(yīng)的模型參數(shù)單位時間內(nèi)表面被置換的分率，即表面更新率。表面更新率是一個與流體力學(xué)條件及系統(tǒng)的幾何形狀相關(guān)的量可以通過實驗測定，而上述溶質(zhì)滲透模型中的參數(shù)停留時間不可測定。這使得表面更新模型比溶質(zhì)滲透模型更加前進了一步，但仍未徹底弄清相際對流傳質(zhì)的機理，有待進一步研究推進認(rèn)知。雖然，目前的模型距離用于實際計算還有一定差距，但是有助于理解該過程的本質(zhì)，為提供強化傳質(zhì)的思路起到積極的作用。

從相際對流傳質(zhì)機理的研究過程可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)學(xué)模型法在研究過程中起到了關(guān)鍵的推進作用，加速了人們對其傳質(zhì)機理的認(rèn)知。研究者在對過程進行分析認(rèn)知的基礎(chǔ)上進行合理假設(shè)構(gòu)建出相應(yīng)的物理模型，而后采用數(shù)學(xué)模型求解。模型的逐漸前進是源于研究者對過程認(rèn)知的不斷深入，更重要的是發(fā)揮充分的想象力，不斷完善舊有模型或構(gòu)建新的模型。不同研究者對過程的分析研究提煉的要點不同會創(chuàng)造出不同模型。一個過程的數(shù)學(xué)模型并不是唯一的，這需要發(fā)揮研究者豐富的想象力去創(chuàng)造。因此，教師在教學(xué)過程中不僅要培養(yǎng)學(xué)生觀察洞悉的能力，更要培養(yǎng)其豐富的想象力激發(fā)其創(chuàng)造力，這是創(chuàng)新的源泉。

（三）雙層玻璃的功效

數(shù)學(xué)建模能力的培養(yǎng)包括洞察力、想象力、分析歸納能力以及邏輯思維能力的訓(xùn)練與提升。在以課程教學(xué)內(nèi)容為載體講解數(shù)學(xué)建模研究方法之后，可以以學(xué)生熟悉的生活案例或工程案例來訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力。比如，在北方城市，近年來很多建筑物的窗戶用的是雙層玻璃，也就是如圖1所示的兩層玻璃之間為一定厚度的空氣。這樣設(shè)計的原因主要是減少熱量向室外流失，起到保暖節(jié)能的效果。那么這樣的設(shè)計具體能夠減少多少熱量的流失，該如何評價其保溫效果，這就需要進行數(shù)學(xué)建模來進行定量分析。

進行數(shù)學(xué)建模首先要對實際過程進行系統(tǒng)分析，雙層玻璃的傳熱過程并不復(fù)雜，機理清楚，是一個簡單的“白箱”模型。熱量在固態(tài)玻璃中的傳熱機理為熱傳導(dǎo)過程，而雙層玻璃中間夾雜了一個空氣薄層，即導(dǎo)熱系數(shù)較小的物質(zhì)，在膜層較薄的條件下可以認(rèn)為該薄層內(nèi)的空氣流動很微弱，其對流傳熱的效果可忽略不計。所以即便空氣是流體，但是因為膜層較薄空氣流動很微弱，此時傳熱機理依然是沒有宏觀運動的熱傳導(dǎo)。這樣進行適當(dāng)合理的假設(shè)后獲得的簡化模型就是，原本的單層熱傳導(dǎo)變成了三層熱傳導(dǎo)。其物理模型的數(shù)學(xué)描述就叫傅里葉定律，在溫度變化不大的條件下，材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以認(rèn)為是常數(shù)或者使用定性溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。

因為傳熱的機理是熱傳導(dǎo)，所以采用傅里葉定律分別計算單層玻璃與雙層玻璃的熱量損失：（式1）單層玻璃上的熱通量計算，（式2）雙層玻璃上的熱通量計算。式中Tin應(yīng)為室內(nèi)溫度，Tout為室外溫度，ks為玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，kg記為氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，d為玻璃層的厚度；l為空氣層的厚度。

式2與式1相比得到式3，其結(jié)果反映了雙層玻璃在減少熱量損失上的效果。其中，常用的玻璃在-20～30℃的導(dǎo)熱系數(shù)ks=0.756～1.0932W/m·℃，干燥空氣的導(dǎo)熱系數(shù)kg=0.0242W/m·℃，則ks /kg=31～45；常用的雙層玻璃的l /d=2.25[10]。由此可以計算出Q2 /Q1≈0.9～1.4%，也就是雙層玻璃比單層玻璃節(jié)約熱量約98.6%以上。由此可以看出，雙層玻璃的設(shè)計方案雖然工藝復(fù)雜制造成本略高一些，但能夠達到相當(dāng)可觀的節(jié)能效果。將此案例拓展為三層玻璃，教師可以試問學(xué)生，為什么要設(shè)計三層玻璃而不是把傳熱系數(shù)較小的空氣層設(shè)計更厚一些，這就涉及了模型成立的前提條件，如果空氣層過厚空氣熱對流不可忽略，傳熱的機理不再是只有熱傳導(dǎo)而有對流傳熱，此時上述的傳熱模型不再適用，而且對流會強化傳熱降低保溫效果。

四、結(jié)論

數(shù)學(xué)模型法是在充分認(rèn)知復(fù)雜過程的基礎(chǔ)上進行合理簡化后建立數(shù)學(xué)模型解決問題的研究方法。本文以課程教學(xué)內(nèi)容中的流體通過顆粒床層的阻力計算與相際對流傳質(zhì)機理的研究歷程兩個案例為載體系統(tǒng)講解數(shù)學(xué)建模方法的過程與要點；以實際生活中的雙層玻璃保溫效果計算案例來訓(xùn)練數(shù)學(xué)建模能力。在化工原理課程的教學(xué)過程中系統(tǒng)地融入數(shù)學(xué)建模過程，能夠培養(yǎng)并提高學(xué)生的洞察力與想象力，助力化工行業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

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[責(zé)任編輯 ?姜 ???雯]

收稿日期：2023-11-23

作者簡介：宋梁成，哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院副教授，博士

基金項目：黑龍江省教育科學(xué)“十四五規(guī)劃”2022年度重點課題“一個平臺四云驅(qū)動的工程專業(yè)人才培養(yǎng)方法研究”（GJB1422065）；黑龍江省教育科學(xué)“十四五規(guī)劃”2023年度重點課題“基于校企協(xié)同的雙創(chuàng)教育與專業(yè)教育融合與實踐”（GJB1423127）；哈爾濱工業(yè)大學(xué)教學(xué)發(fā)展基金項目“化工原理課程教育教學(xué)改革”（XSZ2023051）

通訊作者：宋梁成